2017 Fiscal Year Annual Research Report
特異構造結晶の特性を生かした新機能発光デバイスの研究
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
16H06420
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
平山 秀樹 国立研究開発法人理化学研究所, 平山量子光素子研究室, 主任研究員 (70270593)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寺嶋 亘 国立研究開発法人理化学研究所, 平山量子光素子研究室, 研究員 (30450406) [Withdrawn]
鎌田 憲彦 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (50211173)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 特異構造結晶 / 深紫外LED / THｚ－QCL / 結晶成長 / 深紫外LD |
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| Outline of Annual Research Achievements |
深紫外発光ダイオード（DUV-LED）・半導体レーザ（LD）やテラヘルツ量子カスケードレーザ（THz-QCL)などの新規波長発光デバイスは、殺菌・浄水、医療、生化学産業、高密度DVD、各種透視・非破壊検用の光源、環境計測など、幅広い分野への応用が考えられ、これらの開発は重要である。しかし、これらの未開拓波長デバイスの実現のためにはいくつものブレークスルー技術が必要である。本研究では、結合ピラーバッファー、短周期超格子ドープ層、原子層平坦多重超格子などの特異構造結晶を開発し、これらの特異な物性を用いて、高濃度ｐ型紫外コンタクト層、低貫通転移バッファー、LED高光取り出し構造、AlGaN系量子カスケード構造を実現する。これらの技術を用いて、DUV-LED、LD、THz-QCLの革新的新機能デバイスを実現することを目的とする。
H27年度は、縦型・深紫外LEDの実現を目的とし、昨年に引き続きSi基板上DUV-LEDの作製を行った。DUV-LEDの光取り出し効率は特に低いため、将来的に基板をリフトオフして縦型構造とすることが望ましい。そこでリフトオフが可能なSi基板上にAlNピラーバッファー構造を作製しその上にLEDを作製した。加工Si基板（PSiS）上にピラーAlNを結晶成長しそれを平坦に埋め込み成長することで平坦なAlNバッファーをSi基板上に形成し、クラックの無い低貫通転移密度AlNを製膜した。PSiS/AlN上にAlGaN系UVA-LEDを作製し、波長325nmのLEDで1ｍW程度の出力と0.03％の外部量子効率（EQE）を実現した。電極による光遮蔽が無い場合のEQEは2％程度と推定され、ある程度の高効率化に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
H27年度は、特異構造結晶として我々が研究目標としているAlNピラーバッファー構造を実現し、その上に作製した深紫外LEDの動作である程度の高出力動作を得たので、研究はおおむね順調に進行していると考えている。特に、深紫外LED開発では、光取り出し効率が小さいため市販デバイスの効率は2％程度にとどまっており、市場拡大の大きな妨げとなっている。そのような中、本研究室では光取出し効率を向上させることにより外部量子効率が20％を超える深紫外LEDの実現に成功している。今後Si基板上でELO（横方向埋め込み成長）による高品質バッファーが実現できれば、縦型深紫外LEDが可能となり効率はその3倍程度まで向上することが期待できる。したがって、Si基板上の高品質AlNとそれを用いた紫外LED実現の成果は、深紫外LEDの高効率化にとって極めて重要な成果である。本年度は、Si基板上のUVA LEDで1mW程度の出力が得られ、今後、この素子を縦型構造とすることで、10％を超えるEQEが期待できる。さらに今後、短周期超格子（SPSL）や縮退ドーピング効果を用いたp型AlGaNの高ホール伝導の実現を検討し、低電圧動作と効率ドゥループの改善が可能になれば、高出力・深紫外LED、深紫外LDの実現へ向けて道が開けると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、結晶の特異性を利用した結晶制御と発現される物性を用いて、高濃度ｐ型AlGaN、極低転位AlNバッファー、紫外LED高光取り出し構造、高品質AlGaN多重超格子を実現し、これまでにない特性を有する特異構造結晶を実現する。それらの効果を用いて、高効率深紫外LED、深紫外LD、ならびに、GaN/AlGaNを用いた未踏波長QCLを実現し、革新的エレクトロニクスデバイスを創成することを目的としている。
H30年度では、H29年度に引き続いて、高濃度ｐ型AlGaNの創成に注力する。これまでに、短周期超格子（SPSL）の導入によるｐ型AlGaNの検討を行い一定の効果は確認できた。SPSLに加え、縮退ドーピング効果を調査することで高いホール濃度を実現する予定である。Mgアクセプターを5×1019cm-3以上の高濃度にドーピングすることで、アクセプターの活性化エネルギー低減の効果を実証し、ｐ型AlGaNのホール濃度を向上させる。縮退ドープ効果が発現したp型AlGaNを用いて深紫外LEDを作製し、注入効率の向上とコンタクト抵抗の低減を観測する。
昨年度までに開発した、Si基板上深紫外LEDエピウェファーを用い、ヒートシンクへのウェファーボンディングと基板リフトオフを行うことにより、縦型・深紫外LEDを試作し、光取り出し効率の向上効果を実証する。
また、すでに進めているSi基板上GaN/AlGaN量子カスケード（QC）構造を最適化し、ダブルメタル導波路（DMW）構造GaN系QCLを試作し、レーザー発振動作を試みる。
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[Presentation] Improving EQE (10%) of AlGaN deep-UV LED using highly-reflective photonic ceystal (HR-PhC) on p-contact layer2017
Author(s)
Y. Kashima, N. Maeda, E. Matsuura, M. Jo, T. Iwai, T. Morita, M. Kokubo, T. Tashiro, R. Kamimura, Y. Osada, H. Takagi and H. Hirayama
Organizer
The International Workshop on UV Materials and Devices (IWUMD-2017)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Achievement of extremely high WPE (9.6%) of AlGaN deep-UV LED by using transparent contact layer, reflective electrode and lens2017
Author(s)
H. Hirayama, T. Shibata, Y. Kashima, E. Matsuura, H. Takagi, N. Maeda, M. Jo, T. Iwai, T. Morita, M. Kokubo, T. Tashiro, R. Kamimura and Y. Osada
Organizer
12th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS12)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Achievement of high-EQE (9.5%) AlGaN deep-UV LED using highly-reflective photonic crystal (HR-PhC) on p-contact layer2017
Author(s)
Y. Kashima, N. Maeda, E. Matsuura, M. Jo, T. Iwai, T. Morita, M. Kokubo, T. Tashiro, R. Kamimura, Y. Osada, H. Takagi and H. Hirayama
Organizer
12th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS12)
Int'l Joint Research
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